人耳是一个复杂精细的系统,主要包括外耳、中耳和内耳。内耳耳蜗作为人耳重要的组成部分,相对于外耳和中耳来说是一个更为精密的结构,主要包含中阶、鼓阶和前庭阶。由基底膜、Corti器等纤细精密的结构组成,对传导感觉声音信号至关重要。声音以声波方式传入外耳道并引起鼓膜振动,鼓膜的振动经听骨链传至镫骨底板,通过卵圆窗对耳蜗中的淋巴液施加激励,使得耳蜗中的基底膜因两侧淋巴液压力不同而发生垂直方向上的振动,并引起其上Corti器产生相应运动,最后由Corti器中的毛细胞与神经纤维将振动转化为神经冲动并将神经信号传至大脑听中枢而产生听觉。由于内耳感音过程中涉及耳蜗淋巴液与周围固体结构的流固耦合作用,使得内耳感音机理更加的复杂,至今仍未完全认识其感音机理。而现有的实验过程中,由于内耳结构的精细,实验往往会遭到破坏,增大了实验的难度,因此采用理论建模计算分析和数值仿真模拟的方法进行研究是是一个重要有效的方法。鉴于此,本论文基于变分原理建立了部分耳蜗结构的力学解析模型;同时采用Patran/Nastran和Comsol两种有限元软件,分别建立全耳、螺旋的耳蜗模型、柯蒂氏器(Corti器)的模型和内静纤毛的模型,并借助试验数据验证了模型的准确性。通过两种模型,逐步细化深入的研究了内耳耳蜗的宏观与微观力学行为以及其感音机理。本文的主要研究内容为:1基于复旦大学中山医院的健康人右耳的CT扫描,结合自编C++程序将CT扫描数值化,利用PATRAN建立几何模型,将几何模型导入Natran中建立了包括收集声音的外耳,传导声音的中耳和感音的内耳在内的整个听力系统有限元模型。对整耳模型进行流固耦合(外耳为空气与耳壁的流固耦合,内耳耳蜗为淋巴液与周围精细复杂的生物结构的流固耦合)计算和频率响应分析,得到中耳鼓膜凸和内耳耳蜗主要支撑结构基底膜位移响应,计算结果与相关实验吻合,验证了模型的正确性。2通过模型模拟得到了在外耳道上施加激励时,耳蜗卵圆窗附近输入的压力值。为进一步研究耳蜗微观力学行为提供依据。基于反映真实几何尺寸和结构的螺旋耳蜗有限元模型,研究了在外界声音激励下被动耳蜗中淋巴液流体黏度对于耳蜗阻抗的影响,螺旋结构对于基底膜横向幅值的影响以及在正、逆不同激励下对于基底膜横向幅值的影响。3根据耳蜗圆窗振动特性,建立了耳蜗圆窗的力学模型。由变分原理推导,结合贝塞尔函数利用Mathematica得到圆窗位移的解析解。结合临床上圆窗膜病变的特征,分析了中耳炎导致的圆窗膜增厚、耳硬化症导致的膜面积缩窄及膜本身的硬化以对传声的影响。同时,基于同样的原理进一步研究了圆窗膜上软组织的属性选取,讨论了不同厚度与弹性模量软组织对于圆窗传声性能的作用。为人工假体的逆向激励提供理论依据。4利用Comsol建立包括基底膜、盖膜、内外毛细胞、网状板等在内的Corti器二维模型。通过时域与频域进行分析,研究了在正弦激励下,盖膜与网状板间外静纤毛的相对运动。之后,进一步建立Corti器三维模型,讨论了Tunnel of Corti中流体运动对于Corti结构的影响。5根据Corti器的生物力学特点,,通过对模型结构的提炼简化,建立了Corti器结构的力学模型。利用变分原理解出得到位移解析表达式。研究了外毛细胞与外静纤毛的硬化对于Corti的影响。6建立具有主动特性的对数螺旋的耳蜗模型,描述了耳蜗中流体势函数以及不同情况下基底膜上相对压力差的分布。研究了Corti器对基底膜存在主动特性时,不同情况下,螺旋基底膜不同横截面处的影响基底膜压力分布的各项参数,以及沿螺旋基底膜纵向位置变化的各项参数。7建立了三维内静纤毛的微观有限元模型。讨论了毛细胞的运动和蜗管中流体对于内静纤毛横向(X方向)位移的影响。